[科普中國(guó)]-3氦過(guò)程

3氦過(guò)程是3個(gè)氦原子核（α粒子）轉(zhuǎn)換成碳原子核的過(guò)程。這種核聚變反應(yīng)可以在超過(guò)一億K的高溫和氦含量豐富的恒星內(nèi)部迅速的發(fā)生。同樣的，它發(fā)生在較老年，經(jīng)由質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的氦，累積在核心的恒星。在核心的氫已經(jīng)燃燒完后，核心將塌縮，直到溫度達(dá)到氦燃燒的燃點(diǎn)。

簡(jiǎn)介3氦過(guò)程是3個(gè)氦原子核（α粒子）轉(zhuǎn)換成碳原子核的過(guò)程。

這種核聚變反應(yīng)可以在超過(guò)一億K的高溫和氦含量豐富的恒星內(nèi)部迅速的發(fā)生。同樣的，它發(fā)生在較老年，經(jīng)由質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的氦，累積在核心的恒星。在核心的氫已經(jīng)燃燒完后，核心將塌縮，直到溫度達(dá)到氦燃燒的燃點(diǎn)。

4He+4He + 93.7 keV ?8Be

8Be +4He ?12C + γ + 7.367MeV

這個(gè)過(guò)程釋放出的凈能量為7.275 MeV。

在第一個(gè)階段形成的8Be是不穩(wěn)定的，會(huì)經(jīng)歷2.6×10-16秒就再分裂回氦，但是在氦燃燒能形成8Be的條件下，只要有微小的平衡豐度，就能再捕獲一個(gè)氦原子核形成12C。這種結(jié)合三個(gè)氦原子核轉(zhuǎn)換成碳的過(guò)程就稱為3氦過(guò)程。

由于3氦過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能形成碳，因此在太初核合成不太可能發(fā)生。此一結(jié)果可以說(shuō)明大霹靂為何沒(méi)有制造出碳，因?yàn)樵诖笈Z之后的一分鐘，就已經(jīng)低于核聚變所需要的溫度了。

通常，3氦過(guò)程發(fā)生的可能性是非常低的，但是鈹-8在基態(tài)的能量幾乎就是氦的兩倍。在第二個(gè)階段，8Be +4He幾乎就是碳在激發(fā)態(tài)下的能量。這種共振的狀態(tài)，使接踵而來(lái)的氦和鈹結(jié)合成碳的可能性大為增加。這種共振的存在被觀測(cè)到之前，基于物理上的必要性，為了在恒星內(nèi)形成碳，弗雷德·霍伊爾就已經(jīng)預(yù)測(cè)到了。實(shí)際上，這種能量共振和過(guò)程的預(yù)測(cè)然后真的被發(fā)現(xiàn)，對(duì)霍伊爾恒星核合成的假說(shuō)：假設(shè)所有的化學(xué)元素都是從最初的氫－真正的原始物質(zhì)－形成的，提供了非常重大的支持。

在過(guò)程中的一些副作用是，一些碳元素可能會(huì)和氦融合產(chǎn)生穩(wěn)定的氧同位素，并且釋放出能量：

12C +4He →16O+ γ+ 7.162 MeV

接下來(lái)的反應(yīng)鏈?zhǔn)茄鯐?huì)再與氦結(jié)合生成氖，但再繼續(xù)下去就有困難了，因?yàn)楹俗孕?guī)律的限制，結(jié)果使得更重的元素不容易在恒星核合成中形成。

這樣的情狀使得恒星核合成創(chuàng)造出來(lái)大量的碳和氧，只有一小部分能被轉(zhuǎn)換成氖和其他更重的元素。氧和碳都是氦燃燒的灰燼，而人擇原理曾被引用來(lái)解釋碳和氧在宇宙中被敏感的核共振大量創(chuàng)造出來(lái)的事實(shí)。

融合的過(guò)程能創(chuàng)造的元素只到鐵，更重的（在鐵之外的）元素只要是由中子捕獲創(chuàng)造的。慢中子捕獲（S-過(guò)程）生產(chǎn)出大約一半的重元素，另外的一半則可能由快中子捕獲（R-過(guò)程）在核塌縮的超新星中創(chuàng)造出來(lái)。1

反應(yīng)速率和恒星演化3氦過(guò)程與恒星物質(zhì)的溫度和密度有強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)性。反應(yīng)速率釋放出的能量與溫度的比例關(guān)系是指數(shù)的30次方和密度的平方。對(duì)照于質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)產(chǎn)生能量的比率祇是溫度的四次方和與密度成正比。

與溫度這樣強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)性造成恒星在演化的后期進(jìn)入紅巨星的階段。

對(duì)低質(zhì)量的恒星，累積在核心的氦阻擋恒星進(jìn)一步塌縮的只有電子簡(jiǎn)并壓力，而這種在核心的壓力與溫度幾乎是毫無(wú)關(guān)聯(lián)的。如此的結(jié)果是，一旦一顆較小的恒星開(kāi)始進(jìn)行3氦過(guò)程，核心在反應(yīng)中不會(huì)擴(kuò)展也不會(huì)冷卻，只有不斷的增高溫度，結(jié)果是反應(yīng)速率持續(xù)增加直到發(fā)生熱失控的反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程就是所知道的氦閃，雖然只有不到一分鐘的時(shí)間，但卻能夠燃燒掉核心60-80%的氦，并且導(dǎo)致巨大的能量釋出。

對(duì)較大質(zhì)量的恒星，氦燃燒在環(huán)繞著簡(jiǎn)并碳核心的殼層中進(jìn)行。因?yàn)楹げ皇呛?jiǎn)并的物質(zhì)，因?yàn)楹と紵芰酷尫哦黾拥臒釅毫υ斐珊阈堑呐蛎洠蛎泴?dǎo)致氦層溫度的下降而中止了反應(yīng)，于是恒星再度收縮。這種周期性的過(guò)程造成恒星劇烈的變化，并將外層的物質(zhì)吹離恒星。1

發(fā)現(xiàn)3氦過(guò)程高度的依賴碳-12和氦-4與鈹-8有能量共振的關(guān)系，而在1952年之前對(duì)這些能階仍是一無(wú)所知的。天文物理學(xué)家弗雷德·霍伊爾使用了碳-12在宇宙中是豐富的事實(shí)，作為碳-12有共振存在的證據(jù)，霍伊爾提出了想法給核子物理學(xué)家威廉·福勒，他承認(rèn)這樣的能階是可能存在的，而在過(guò)去的工作中被忽略掉了。在簡(jiǎn)要的規(guī)劃之后，他在加州理工學(xué)院凱洛格輻射實(shí)驗(yàn)室的研究小組，就在7.65Mev附近發(fā)現(xiàn)了碳-12的共振。1

相關(guān)條目質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)

碳氮氧循環(huán)

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)